一种基于MEMS法珀腔芯片的精确化波长标定方法与流程

一种基于mems法珀腔芯片的精确化波长标定方法
技术领域
1.本发明主要涉及近红外光谱技术领域，尤其是涉及一种基于mems法珀腔芯片的精确化波长标定方法。


背景技术：

2.随着微机电技术的发展，近红外光谱仪的微型化是近些年的发展重点，目前最常见的微型化近红外光谱仪是基于fabry-perot(法珀腔)干涉可调滤波芯片的，mems法珀腔芯片的光学原理是基于法布里－珀罗干涉原理，通过半导体集成电路工艺制成的分光芯片，以不同电压驱动芯片，获得不同窄带光谱。mens法珀腔芯片集成到微型化光谱系统之前，需要对mens法珀腔芯片的波长进行标定，从而为微型化光谱系统检测算法的实施做好前期的基本标定准备工作。目前，mems法珀腔芯片的常规波长标定方法精度较低，为了提高标定精度，常用的方法为针对单一波长进行重复标定以保证其测量精度，这种方法费时费力，严重阻碍了mems法珀腔芯片的应用及产业化发展。因此，如何实现一种基于mems法珀腔芯片的精确化波长标定方法成为亟须解决的问题。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题：
4.提供一种基于mems法珀腔芯片的精确化波长标定方法，解决mems法珀腔芯片的常规波长标定方法精度较低，通常需要对单一波长进行重复标定以保证其测量精度，耗时耗力的为题。
5.本发明结解决上述技术问题所采用的技术方案：
6.一种基于mems法珀腔芯片的精确化波长标定方法，包括以下步骤：
7.步骤1：选择待标定电压的波长点λm，进行粗扫描，获取波长点λm对应的粗略标定电压v1；
8.步骤2：根据粗略标定电压v1和粗扫描中设置的扫描电压间隔步长确定精扫描的电压范围，获取精细标定电压v2；
9.步骤3：计算精细标定电压v2对应的波长点λ
p
；
10.步骤4：根据波长点λ
p
及标定电压v2进行手动微调，获取波长点λm的最终标定电压v3；
11.步骤5：验证最终标定电压v3是否为波长点λm的准确标定电压。
12.进一步的，所述步骤1之前还包括：根据mems法珀腔的波长范围λ1～λ2和波长点数目计算出相邻两个波长点之间的波长差δλ，计算出mems法珀腔所有波长点的波长λn＝λ1+(n-1)λ，中n为mems法珀腔芯片中的第n个波长点。
13.进一步的，步骤1具体包括，设置扫描开始电压、结束电压、扫描间隔电压步长δv，并在示波器中将起始波长和结束波长设置为待标定电压波长点λm，扫描结果中光强最大值点对应的电压即为波长点λm的粗扫描电压v1。
14.进一步的，所述步骤2包括：将扫描起始电压设置为(v
1-δv)，结束电压设置为(v1+δv)，扫描间隔电压步长设置为δv1，并将示波器中将起始波长和结束波长设置为待标定波长点的波长λm，扫描结果中光强最大值点对应的电压即为波长点λm的精细化扫描电压v2。
15.进一步的，所述步骤3具体包括：
16.获取波长为(λ
m-2)nm、(λ
m-1)nm、(λm+1)nm、(λm+2)nm的波长点的光强值，若波长为(λ
m-1)nm对应的波长点光强值为x1，波长为(λ
m-2)nm对应的波长点光强值为x2，波长为(λm+1)nm对应的波长点光强值为x3，波长为(λm+2)nm对应的波长点光强值为x4；
17.若x2＞x4，则最终选定特征波长点分别为：λm、光谱图像中光强值x2对应的两个波长点，光谱图像中光强值x1对应的两个波长点；其中光强值x2所对应的两个波长点其中一个的波长为(λ
m-2)nm，另一个设定记为λanm，光强值x1所对应的两个波长点其中一个波长为(λ
m-1)nm，另一个设定为λbnm，由上通过五点均值法计算获取v2对应的标定波长λ2的最终计算公式为：λ
p
＝[λm+(λ
m-1)+(λ
m-2)+λa+λb]/5；
[0018]
若x2＜x4，则最终选定特征波长点分别为λm、光谱图像中光强值x4对应的两个波长点，光谱图像中光强值x3对应的两个波长点，其中光强值x4所对应的两个波长点其中一个为(λm+2)nm，另一个设定为λcnm，光强值x3所对应的两个波长点其中一个为(λm+1)nm，另一个设定为λdnm，由上通过五点均值法计算获取v2对应的标定波长λ2的最终计算公式为：λ
p
＝[λm+(λm+1)+(λm+2)+λc+λd]/5。
[0019]
进一步的，步骤5具体包括：根据步骤3中选定的特征波长点为(λ
m-2)nm、(λ
m-1)nm或(λm+1)nm、(λm+2)nm及波长点λm在最终标定电压v3的光谱图像进行标定结果验证；
[0020]
若步骤3中选择的特征波长点为(λ
m-2)nm、(λ
m-1)nm，则在光谱图像中分别找出与波长点(λ
m-2)nm和(λ
m-1)nm光强值相同的波长点，将上述4个波长点及波长点λm的波长计算平均值，若计算结果与波长点λm的波长相同，则最终标定电压v3为波长点λm的准确标定电压；若步骤4中选择的特征波长点为(λm+1)nm、(λm+2)nm，则在光谱图像中分别找出与波长点(λm+1)nm和(λm+2)nm光强值相同的波长点，将上述4个波长点及波长点λm的波长计算平均值，若计算结果与波长点λm的波长相同，则最终标定电压v3为波长点λm的准确标定电压。
[0021]
本发明的有益效果：
[0022]
本发明所述的一种基于mems法珀腔的精确化标定方法，获取待标定波长的粗略标定电压后缩小扫描电压步长，获得更准确的精细的标定电压，计算出精细标定电压下的波长，此波长与待标定电压波长之间的误差较小，对存在的微小误差进行手动调节，获得待标定电压波长的标定电压，能够大幅提高mems法珀腔芯片的波长电压标定精度，提升操作效率。
附图说明
[0023]
图1为本发明所述一种就要mems法珀腔芯片的精确化波长标定方法流程图。
[0024]
图2为本发明所述实施例中粗扫描光谱示意图。
[0025]
图3为本发明实施例中精细化扫描光谱示意图。
[0026]
图4为本发明实施例中所述标定电压26.55v下波长范围示意图。
[0027]
图5为本发明实施例中标定电压26.537v光谱图像示意图。
具体实施方式
[0028]
如图1所示，本发明所述一种基于mems法珀腔芯片的精确化波长标定方法首先根据mems法珀腔芯片波长范围及波长点数目计算各波长点的波长，确定需要进行标定的波长点标定波长点λm，设定大范围电压间隔进行扫描，粗略获取λm对应的标定电压v1，然后根据标定电压v1进行精细化扫描电压范围选定，缩小电压间隔精细化获取标定电压v2，固定标定电压v2，设定小范围波长间隔进行扫描，计算获取v2对应的标定波长λ
p
，最后电压v2进行微调得到波长点λm对应的电压。
[0029]
实施例：
[0030]
在本实施例中，从微型化近红外光谱仪中mems法珀腔芯片工作原理可知其自由谱宽受限，其波长范围在400nm以内，波长点数目在41个以内，其工作状态最为适宜，同时由于其波长点数目越多，采集的光谱数据越精确，其波长范围越宽，实际应用范围越广，由此选定波长范围为400nm，波长点数目为41个，设定微型化近红外光谱仪中mems法珀腔芯片的波长范围为1750nm～2150nm，波长点数目为41个，可以计算出该mems法珀腔芯片相邻两个波长点之间的波长范围为：δλ＝2150-175041-1＝10nm；进一步可以计算出本实施例中微型化近红外光谱仪中mems法珀腔芯片所有待标定波长点的波长分别为1750nm，1760nm，
……
，2150nm。
[0031]
本实施例找中选取波长为2000nm的波长点对本发明所述方法进行具体说明，将固定标定波长设置为2000nm，即在示波器中将起始波长和结束波长皆设置为2000nm，将两个扫描点之间的停顿间隔时间设置为1秒，设置为1秒可以良好保证扫描稳定性与精确度。同时由于mems法珀腔芯片的工作电压为10～35v，所以在粗扫描过程中，施加在mems法珀腔芯片上的电压设定为10～35v，即开始电压设定为10v，结束电压设定为35v，过小的扫描电压间隔会极大影响扫描效率，过大的扫描电压间隔会影响扫描精确度，由此选定1v为扫描电压间隔，扫描结束后，光谱图形如图2所示，其中横坐标为施加在mems法珀腔芯片上的电压值，纵坐标为mems法珀腔芯片采集的光强值，其中近红外光强最大值点所对应的电压值为27v，该电压即为波长为2000nm的波长点所对应的粗略标定电压，即v1＝27v。
[0032]
本实施例中粗扫描的电压间隔为1v，即在电压范围26v～28v中可能存在数值更大的近红外光强值点，因此将精细化扫描中扫描电压范围选定为26v～28v，为了同时兼顾精确度以及扫描效率，将精细化扫描的电压间隔缩小至0.05v，即在示波器中将起始电压设置为26v，结束电压设置28v，间隔步长设置为0.05v。扫描结束后，光谱图形如图3所示，其中横坐标为施加在mems法珀腔芯片上的电压值，纵坐标为mems法珀腔芯片采集的光强值，其中近红外光强最大值点所对应的电压值为26.55v，该电压即为波长为2000nm所对应的精细化标定电压，即v2＝26.55v。
[0033]
在本实施例中，在标定电压为固定值v2＝26.55v下设定标定波长范围，本实施例中采用五点均值法进行标定波长的计算，五点均值法的具体原理为：取固定标定电压下光谱图形中的五个特征波长点进行均值计算得到实际标定波长。为了保证计算精度与准确性，本实施例中采用的五个待选特征波长点分别为光强值最大波长点、光强值最大波长点波长向延伸1nm的波长点、光强值最大的波长点波长向各延伸2nm的波长点。选取光强值最大波长点sm波长左右加减1nm和2nm处的波长点，即波长为(λ
m-2)nm、(λ
m-1)nm、(λm+1)nm、(λm+2)nm点，若波长为(λ
m-1)nm对应的波长点光强值为x1，波长为(λ
m-2)nm对应的波长点光强
值为x2，波长为(λm+1)nm对应的波长点光强值为x3，波长为(λm+2)nm对应的波长点光强值为x4；
[0034]
若x2＞x4，则五个最终选定特征波长点分别为：λm、光谱图像中光强值x2对应的两个波长点，光谱图像中光强值x1对应的两个波长点。其中光强值x2所对应的两个波长点其中一个的波长为(λ
m-2)nm，另一个设定记为λanm，光强值x1所对应的两个波长点其中一个波长为(λ
m-1)nm，另一个设定为λbnm，由上通过五点均值法计算获取v2对应的标定波长λ
p
的最终计算公式为：λ
p
＝[λm+(λ
m-1)+(λ
m-2)+λa+λb]/5
[0035]
若x2＜x4，则五个最终选定特征波长点分别为：λm、光谱图像中光强值x4对应的两个波长点、光谱图像中光强值x3对应的两个波长点。其中光强值x4所对应的两个波长点其中一个为(λm+2)nm，另一个设定为λcnm，光强值x3所对应的两个波长点其中一个为(λm+1)nm，另一个设定为λdnm，由上通过五点均值法计算获取v2对应的标定波长λ
p
的最终计算公式为：λ
p
＝[λm+(λm+1)+(λm+2)+λc+λd]/5。
[0036]
本实施例中，则可以计算出五个待选特征波长点分别为：1998nm、1999nm、2000nm、2001nm、2002nm；设定起始波长为1998nm，结束波长为2002nm，同时为了提高扫描精度，间隔步长设定为0.1nm，间隔时间为1秒。扫描结束后，光谱图形如图4所示，其中横坐标为型化近红外光谱mems法珀腔芯片的波长值，纵坐标为mems法珀腔芯片采集的光强值，波长1998nm处的光强值大于波长2002n处的光强值，即x2》x4，因此五点均值法特征点选取方式可以得知五个最终选定特征波长点的波长分别为：1998nm、1999nm、2000nm、2000.55nm、2001.45nm，进一步可以通过五点均值法计算获取标定电压v2＝26.55v对应的标定波长为：1998+1999+2000+2000.55+2001.455＝1999.8nm。
[0037]
通过五点均值法计算获得的标定波长为1999.8nm与初始标定波长2000nm存在一定的差异，但差异较小，通过微调标定电压，微调后的电压即为初始标定波长λ1对应的标定电压。本实施中将电压微调至26.573v时，对应的标定波长为2000nm。
[0038]
将电压微调至26.537v时，光谱图像如图5所示，选取与波长为1998nm的波长点光强值相同的波长为2001.9nm波长点，与波长为1999nm的波长点光强值相同的波长为2001nm的波长点进行验证1998+1999+2000.1+2001+2001.95＝2000nm，由此表明当电压为26.537v对应的波长确为波长为2000nm的波长点。